噴淋塔脫硫過程及專用噴嘴的模擬實驗與數(shù)值計算研究.pdf

1、2006年我國二氧化硫排放總量達到2549萬噸，其中近一半來自火電廠燃煤鍋爐。目前大型火電廠中運用最多的脫硫工藝是采用噴淋塔的濕法煙氣脫硫工藝。盡管我國脫硫技術(shù)在電力行業(yè)得到廣泛應用，但為了降低脫硫系統(tǒng)投資和運行費用，進行了工藝和設備的改進和簡化，導致多數(shù)系統(tǒng)的脫硫效率和設備可用率達不到設計要求。因此，深入研究系統(tǒng)的流動和反應規(guī)律，優(yōu)化關鍵設備的結(jié)構(gòu)參數(shù)，不僅有助于提高現(xiàn)有脫硫系統(tǒng)的脫硫效率和設備可用率，而且可望開發(fā)新的脫硫工藝，以實現(xiàn)

2、低投資、低運行費用條件下的高效煙氣脫硫。
　　 本文首先研究了濕法煙氣脫硫系統(tǒng)常用的單層噴嘴和螺旋噴嘴。建立了一個噴嘴霧化試驗臺，采用PDPA和快速CCD以及數(shù)碼相機等實驗設備研究噴嘴的霧化特性，考察了單層噴嘴和螺旋噴嘴液膜破裂長度、液滴形成的影響因素，并歸納了實驗關聯(lián)式。實驗發(fā)現(xiàn)：在流量逐漸加大時，噴嘴出口液膜的流動呈現(xiàn)三種狀態(tài)：穩(wěn)定流動狀態(tài)、抖動狀態(tài)和散亂狀態(tài)。對于單層噴嘴，在噴嘴出口平均流速小于1.6m/s時，連續(xù)液膜破裂

3、主要以穿孔破裂為主；在噴嘴出口平均流速為1.6m/s～2.2m/s時，液膜的破裂包含波動破裂和穿孔破裂：當噴嘴出口流速大于2.2m/s時，連續(xù)液膜破裂為波動破裂。對于螺旋噴嘴，在本實驗條件下，連續(xù)液膜破裂均為波動破裂。
　　 在實驗研究的基礎上，建立了一套比較完整的能夠預測液滴顆粒形成的液相噴嘴霧化數(shù)學模型，包括噴嘴內(nèi)部流動模型和外部流動模型兩部分。內(nèi)部流動采用RNGk-ε模型，用Fluent軟件進行模擬計算，獲得的出口參數(shù)作為

4、外部流動的入口條件。在外部流動模型中，通過假設邊界條件簡化N-S方程，導出了液膜的界面控制方程，在綜合考慮液膜厚度、擾動波長及干擾波增長率后，采用液膜厚度與干擾波滲透厚度比較來判定液膜破裂位置，并根據(jù)線性穩(wěn)態(tài)理論導出液膜破裂后形成液絲并進而確定液滴顆粒初始參數(shù)。模型預測結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。針對實驗中無法測量的在有外界氣流擾動下的液膜破裂和液滴形成情況，通過本模型進行了預測，模型計算結(jié)果顯示：在液體流量不變的情況下，外界氣流擾動越大，

5、連續(xù)液膜維持長度越短，產(chǎn)生的液滴顆粒粒徑越小。
　　 在上述實驗和數(shù)值模擬的基礎上，本文提出了一種組合式漿液噴嘴，并進行了流動特性、霧化特性、受力特性的數(shù)值模擬和實驗研究，依據(jù)實驗和數(shù)值模擬結(jié)果對初型噴嘴進行了結(jié)構(gòu)改進。研究結(jié)果表明：該噴嘴在20～120％設計流量下生成液滴粒徑主要為100～1400μm，并且液滴粒徑分布比較均勻，而螺旋噴嘴生成液滴粒徑主要為50μm～600μm，并且分布偏向小粒徑。由于小粒徑液滴易跟隨氣流，使系

6、統(tǒng)阻力增大，同時還造成后部除霧器工作壓力增大，排煙帶水量增加，因此該噴嘴可控制小液滴數(shù)量，降低系統(tǒng)阻力，減少排煙帶水量。該噴嘴還具有結(jié)構(gòu)簡單，易于加工和維修的特點。
　　 為研究噴嘴在塔內(nèi)的霧化特性及塔內(nèi)的氣液流動和SO2吸附特性，建立了一個可視化試驗臺，考察了噴嘴結(jié)構(gòu)型式、氣液流量及比例、進氣溫度、各噴淋層噴淋液配比等條件下系統(tǒng)的阻力特性和二氧化硫的吸附特性。研究結(jié)果表明：在小尺度塔內(nèi)，對于單層噴嘴，系統(tǒng)的主要阻力來自于液膜，

7、而對于螺旋噴嘴，液膜對系統(tǒng)的阻力影響小于單層噴嘴；噴淋脫硫塔內(nèi)不均勻流動區(qū)域主要集中在塔底入口處；采用單層噴嘴和螺旋噴嘴的系統(tǒng)脫硫效果基本相當。降低進氣溫度有助于二氧化硫吸附。
　　 依據(jù)上述研究結(jié)果，本文構(gòu)造了一個三維兩相的噴淋脫硫塔數(shù)學模型，該模型導入了噴嘴霧化模型，并考慮氣流流動、SO2與液滴化學反應以及煙氣與液滴間動量、質(zhì)量和能量的交換。首先，采用該模型對試驗臺進行數(shù)值模擬，通過與實驗結(jié)果進行比較，修正了SO2吸附參數(shù)使

8、模擬結(jié)果與實驗結(jié)果相一致。然后，采用該模型對揚州電廠200MW機組脫硫塔進行了模擬，計算結(jié)果表明：在噴淋脫硫塔中，氣流和液滴的相互作用非常明顯，液滴對氣流有強烈的整流作用，而氣流對液滴也有夾帶作用，當氣流速度超過6m/s后，液滴夾帶量明顯增大，從而使運行阻力大大增加。在塔入口煙道中增加導流板使煙氣分層流入塔內(nèi)，可以改善塔內(nèi)煙氣與液滴的接觸效果，從而提高脫硫效率。最后，采用該模型對太倉電廠2×300MW機組共用一個煙氣噴淋脫硫塔進行了模擬